CH3二極管及其基本電路

CH3二極管及其基本電路第1頁/共55頁3.1.1半導(dǎo)體材料

根據(jù)物體導(dǎo)電能力(電阻率)的不同，來劃分導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體。典型的半導(dǎo)體有硅Si和鍺Ge以及砷化鎵GaAs等。第2頁/共55頁3.1.2半導(dǎo)體的共價鍵結(jié)構(gòu)硅和鍺的原子結(jié)構(gòu)簡化模型及晶體結(jié)構(gòu)第3頁/共55頁3.1.3

本征半導(dǎo)體

完全純凈的、具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體，稱為本征半導(dǎo)體。晶體中原子的排列方式硅單晶中的共價健結(jié)構(gòu)共價健共價鍵中的兩個電子，稱為價電子。

Si

Si

Si

Si價電子

絕對零度時，本征半導(dǎo)體的價電子被共價鍵束縛，無載流子，不導(dǎo)電，相當于絕緣體。第4頁/共55頁

Si

Si

Si

Si價電子

價電子在獲得一定能量（溫度升高或受光照）后，即可掙脫原子核的束縛，成為自由電子（帶負電），同時共價鍵中留下一個空位，稱為空穴（帶正電）。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機理空穴溫度愈高，產(chǎn)生的電子-空穴愈多。自由電子本征激發(fā)----由于溫度升高，產(chǎn)生電子-空穴對的現(xiàn)象復(fù)合---自由電子會被空穴吸引，填補回去而成對消失。溫度一定時，電子空穴的數(shù)量是常數(shù)第5頁/共55頁

當半導(dǎo)體兩端加上外電壓時，在半導(dǎo)體中將出現(xiàn)兩部分電流

(1)自由電子逆著電場運動電子電流

(2)價電子遞補空穴，空穴沿著電場移動空穴電流

(3)電子和空穴都可以產(chǎn)生電流：通稱為載流子注意：溫度愈高，載流子的數(shù)目愈多,導(dǎo)電性能也就愈好。所以，溫度對本征半導(dǎo)體器件性能影響很大。第6頁/共55頁3.1.4雜質(zhì)半導(dǎo)體摻入五價元素

Si

Si

Si

Sip+多余電子磷原子在常溫下即可變?yōu)樽杂呻娮邮ヒ粋€電子變?yōu)檎x子

在本征半導(dǎo)體中摻入微量的雜質(zhì)（某種元素）,形成雜質(zhì)半導(dǎo)體。

在N

型半導(dǎo)體中自由電子是多數(shù)載流子，空穴是少數(shù)載流子。1.N型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體表示為：第7頁/共55頁摻入三價元素

Si

Si

Si

Si

在P型半導(dǎo)體中空穴是多數(shù)載流子，自由電子是少數(shù)載流子。B–硼原子接受一個電子變?yōu)樨撾x子空穴無論N型或P型半導(dǎo)體都是中性的，對外不顯電性。2.P型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體表示為：第8頁/共55頁1.在雜質(zhì)半導(dǎo)體中多子的數(shù)量與

（a.摻雜濃度、b.溫度）有關(guān)。2.在雜質(zhì)半導(dǎo)體中少子的數(shù)量與（a.摻雜濃度、b.溫度）有關(guān)。3.當溫度升高時，少子的數(shù)量（a.減少、b.不變、c.增多）。abc4.在外加電壓的作用下，P型半導(dǎo)體中的電流主要是

，N型半導(dǎo)體中的電流主要是。（a.電子電流、b.空穴電流）ba第9頁/共55頁

本征半導(dǎo)體、雜質(zhì)半導(dǎo)體

本節(jié)中的有關(guān)概念自由電子、空穴N型半導(dǎo)體、P型半導(dǎo)體

多數(shù)載流子、少數(shù)載流子.本征激發(fā)、復(fù)合第10頁/共55頁3.2PN結(jié)的形成及特性

3.2.2PN結(jié)的形成

3.2.3PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

3.2.4PN結(jié)的反向擊穿

3.2.5PN結(jié)的電容效應(yīng)

3.2.1載流子的漂移與擴散第11頁/共55頁3.2.1載流子的漂移與擴散漂移：在電場作用引起載流子的定向運動稱為漂移運動。產(chǎn)生的電流稱為漂移電流。

電流方向為正電荷移動的方向，大小與電場成正比。擴散：由載流子濃度差引起載流子的定向運動稱為擴散運動。產(chǎn)生的電流稱為擴散電流。電流的方向為由濃度梯度高指向濃度梯度低，大小與濃度梯度成正比。第12頁/共55頁3.2.2PN結(jié)的形成多子的擴散運動內(nèi)電場少子的漂移運動濃度差P型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體

內(nèi)電場越強，漂移運動越強，而漂移使空間電荷區(qū)變薄。

擴散的結(jié)果使空間電荷區(qū)變寬?？臻g電荷區(qū)也稱PN結(jié)

擴散和漂移這一對相反的運動最終達到動態(tài)平衡，空間電荷區(qū)的厚度固定不變。－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++－－－－－－－－形成空間電荷區(qū)第13頁/共55頁

對于P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體結(jié)合面，離子薄層形成的空間電荷區(qū)稱為PN結(jié)。在空間電荷區(qū)，由于缺少多子，所以也稱耗盡層，或阻擋層（阻止擴散運動）等。第14頁/共55頁3.2.3PN結(jié)的單向?qū)щ娦?.PN結(jié)加正向電壓（正向偏置）PN結(jié)變窄P接正、N接負外電場IF

內(nèi)電場被削弱，多子的擴散加強，形成較大的擴散電流。

PN結(jié)加正向電壓時，PN結(jié)變窄，正向電流較大，正向電阻較小，PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)。內(nèi)電場PN－－－－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++++++–第15頁/共55頁2.PN結(jié)加反向電壓（反向偏置）外電場P接負、N接正內(nèi)電場PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－–+第16頁/共55頁PN結(jié)變寬外電場

內(nèi)電場被加強，少子的漂移加強，由于少子數(shù)量很少，形成很小的反向電流。IRP接負、N接正溫度越高少子的數(shù)目越多，反向電流將隨溫度增加。–+PN結(jié)加反向電壓時，PN結(jié)變寬，反向電流較小，反向電阻較大，PN結(jié)處于截止狀態(tài)。內(nèi)電場PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－第17頁/共55頁PN結(jié)加正向電壓時，呈現(xiàn)低電阻，具有較大的正向擴散電流；簡稱正偏。

PN結(jié)加反向電壓時，呈現(xiàn)高電阻，具有很小的反向漂移電流；簡稱反偏。

由此可以得出結(jié)論：

PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?。?8頁/共55頁3.2.4PN結(jié)的反向擊穿

當PN結(jié)的反向電壓增加到一定數(shù)值時，反向電流突然快速增加，此現(xiàn)象稱為PN結(jié)的反向擊穿。熱擊穿——不可逆

雪崩擊穿

齊納擊穿

電擊穿——可逆第19頁/共55頁3.2.5PN結(jié)的電容效應(yīng)(1)擴散電容CD

(2)勢壘電容CB第20頁/共55頁3.3二極管

3.3.1

二極管的結(jié)構(gòu)

3.3.2

二極管的伏安特性

3.3.3

二極管的主要參數(shù)第21頁/共55頁3.3.1半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)

在PN結(jié)上加上引線和封裝，就成為一個二極管。二極管按結(jié)構(gòu)分有點接觸型、面接觸型兩大類。(1)點接觸型二極管(a)點接觸型

二極管的結(jié)構(gòu)示意圖PN結(jié)面積小，結(jié)電容小，用于檢波和變頻等高頻電路。第22頁/共55頁（a）面接觸型（b）集成電路中的平面型(2)面接觸型二極管PN結(jié)面積大，用于工頻大電流整流電路。(b)面接觸型電路符號第23頁/共55頁3.3.2二極管的伏安特性1.二極管的伏安特性公式表示硅二極管的V-I特性VT---與溫度有關(guān)的常數(shù)。Is---反向飽和電流vD>0時，正偏時成指數(shù)函數(shù)vD<0時，反偏時為飽和電流在常溫下（T=300K）第24頁/共55頁硅管0.5V鍺管0.1V3.反向擊穿電壓U(BR)導(dǎo)通壓降

外加電壓大于死區(qū)電壓（門坎）二極管才能導(dǎo)通。

外加電壓大于反向擊穿電壓二極管被擊穿，失去單向?qū)щ娦浴?.正向特性2.反向特性2.V-I特性曲線硅0.6~0.8V鍺0.2~0.3VUI死區(qū)電壓PN+–PN–+

反向電流在一定電壓范圍內(nèi)保持常數(shù)。第25頁/共55頁3.3.3二極管的主要參數(shù)(1)最大整流電流IF(2)反向擊穿電壓VBR和最大反向工作電壓VRM(3)反向電流IR(4)正向壓降VF第26頁/共55頁二極管應(yīng)用問題種類、型號選擇－－查器件手冊。表3.3.1正負極判斷（P723.3.2）第27頁/共55頁3.4

二極管基本電路及其分析方法

3.4.1簡單二極管電路的圖解分析方法

3.4.2

二極管電路的簡化模型分析方法第28頁/共55頁3.4.1簡單二極管電路的圖解分析方法

二極管是一種非線性器件，因而其電路一般要采用非線性電路的分析方法，相對來說比較復(fù)雜，而圖解分析法則較簡單，但前提條件是已知二極管的V-I特性曲線。第29頁/共55頁例3.4.1電路如圖所示，已知二極管的V-I特性曲線、電源VDD和電阻R，求二極管兩端電壓vD和流過二極管的電流iD。解：由電路的KVL方程，可得即是一條斜率為-1/R的直線，稱為負載線Q的坐標值（VD，ID）即為所求。Q點稱為電路的工作點第30頁/共55頁3.4.2二極管電路的簡化模型分析方法1.二極管V-I特性的建模（1）理想模型---理想二極管V-I特性代表符號正向偏置時的電路模型:短路反向偏置時的電路模型：開路第31頁/共55頁（2）恒壓降模型（iD≥1mA時）0.7V硅管0.2V鍺管正偏時：反偏時:放大電路多用此模型第32頁/共55頁（3）折線模型（硅二極管）折線段：正偏時：反偏時:第33頁/共55頁二級管電路的計算方法：1)將二極管斷開，求正向開路電壓VDO;2)如果VDO>Vth,則D導(dǎo)通，可用理想模型、恒壓模型或折線模型代替二極管；3)如果VDO<Vth,D截止,iD=02．模型分析法應(yīng)用舉例第34頁/共55頁例1二極管整流電路（1）vs和vo的波形整流---將交流信號變換為直流信號半波整流---脈動直流vs>0,導(dǎo)通，vD=0,vs<0,D截止，iD=0第35頁/共55頁（2）靜態(tài)工作情況分析理想模型（R=10k）

當VDD=10V時，恒壓模型（硅二極管典型值）折線模型（硅二極管典型值）設(shè)（a）簡單二極管電路（b）習慣畫法第36頁/共55頁電路中為理想二極管，求：VABV陽

=－6VV陰=－12VV陽-V陰

>0，二極管導(dǎo)通采用理想模型，二極管可看作短路，VAB=－6V例2：

取B點作參考點，斷開二極管，分析二極管陽極和陰極的電位。

在這里，二極管起鉗位作用。D6V12V3kBAVAB+–第37頁/共55頁兩個二極管的陰極接在一起取B點作參考點，斷開二極管，分析二極管陽極和陰極的電位。V1陽

=－6V，V2陽=0V，V1陰

=V2陰=－12VVD1=6V，VD2=12V

∵

VD2>VD1

∴D2優(yōu)先導(dǎo)通，D1截止。使用理想模型，二極管可看作短路，VAB

=0V例2:D1承受反向電壓為－6V流過D2

的電流為BD16V12V3kAD2VAB+–電路中為理想二極管，求：VAB第38頁/共55頁如何判斷二極管在電路中是導(dǎo)通的還是截止的先假設(shè)二極管兩端斷開，確定二極管兩端的電位差；若電路出現(xiàn)兩個或兩個以上二極管，應(yīng)先判斷承受正向電壓較大的管子優(yōu)先導(dǎo)通，再按照上述方法判斷其余的管子是否導(dǎo)通。根據(jù)二極管兩端加的是正電壓還是反電壓判定二極管是否導(dǎo)通，若為正電壓且大于閾值電壓，則管子導(dǎo)通，否則截止；第39頁/共55頁ui-8V>0，二極管導(dǎo)通，可看作短路uo=8V

ui-8V<0，二極管截止，可看作開路uo=ui已知：二極管是理想的，試畫出uo

波形。8V例3：限幅電路ui18V二極管陰極電位為8VD8VRuoui++––第40頁/共55頁3.5

特殊二極管1.符號VZIZIZMVZIZ2.伏安特性穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓時工作在反向電擊穿狀態(tài)。使用時要加限流電阻

穩(wěn)壓管反向擊穿后，電流變化很大，但其兩端電壓變化很小，利用此特性，穩(wěn)壓管在電路中可起穩(wěn)壓作用。_+VIO

3.5.1

齊納二極管(穩(wěn)壓二極管)第41頁/共55頁3.主要參數(shù)(1)

穩(wěn)定電壓VZ

穩(wěn)壓管正常工作(反向擊穿)時管子兩端的電壓。(2)

動態(tài)電阻(3)

穩(wěn)定電流IZ、最大穩(wěn)定電流IZMrZ愈小，曲線愈陡，穩(wěn)壓性能愈好。第42頁/共55頁4.穩(wěn)壓電路正常穩(wěn)壓時VO=VZ限流電阻R的計算：IR=IZ+ILIR=(VI-VZ)/RIo=Vz/RLIzmin<Iz<Izmax(VI-Vz)/(Izmax+IL)<Rmin(VI-Vz)/(Izmin+IL)>Rmax第43頁/共55頁ui>8V，穩(wěn)壓管反向擊穿，穩(wěn)壓uo=Vz=8V0<ui<8V，穩(wěn)壓管反向截止，可看作開路uo=ui已知：試畫出uo

波形。8V例：穩(wěn)壓管應(yīng)用電路ui12VVz8VRuoui++––ui<0V，穩(wěn)壓管正向?qū)?，uo=-0.7V第44頁/共55頁3.5.2變?nèi)荻O管（a）符號（b）結(jié)電容與電壓的關(guān)系（縱坐標為對數(shù)刻度）特點：工作在反偏狀態(tài)，電容與反向電壓成正比。第45頁/共55頁3.5.3肖特基二極管（a）符號（b）正向V-I特性特點：電容小、工作速度快、門檻電壓低，常用作開關(guān)管第46頁/共55頁3.5.4光電子器件